Electrónica. Estructura de los sólidos.


  • 0

    ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS.

    La organización espacial de los átomos dentro de cualquier material juega un papel importante en la determinación de sus propiedades. Esta organización espacial puede caer dentro de estos tres campos: Amorfo, Policristalino y Cristalino.

    • En el estado amorfo no existe ningún orden reconocible en la posición de los átomos. Distintas secciones del material tendrán distintas organizaciones de átomos.

    • En el estado cristalino, dada una sección de este material, se puede reconstruir la organización atómica de cualquier otra sección.

    • El estado policristalino es un caso intermedio. Está compuesto de secciones cristalinas disjuntas y no orientadas unas respecto a otras.

    0_1499868340759_cristales.jpg

    La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última capa sufran la interacción de los átomos vecinos. Por el principio de exclusión de Pauli¹, ninguno de estos electrones puede ocupar el mismo nivel energético, de ahí que en un cristal existan un gran número de niveles de energía, muy próximos entre sí, que pueden ser ocupados por estos electrones. El conjunto de estos niveles se denomina banda de energía.

    En los cristales existen dos bandas conocidas como "banda de valencia" y "banda de conducción". Un electrón que ocupe un nivel dentro de la banda de valencia está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente por él mientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el electrón puede moverse libremente por todo el cristal, pudiendo formar parte de una corriente eléctrica.

    Para que pueda circular corriente eléctrica por un cristal, éste debe tener partículas cargadas que puedan moverse libremente en él. Entre la banda de valencia y la de conducción existe una "banda prohibida", cuyos niveles no pueden ser ocupados por ningún electrón del cristal. Según la magnitud de esta banda, los cristales pueden clasificarse en aislantes, conductores y semiconductores.

    0_1499868465976_bandas.jpg





    TIPOS DE SOLIDOS

    Aislantes.

    La magnitud de la banda prohibida es muy grande, de forma que casi todos los electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al existir muy pocos portadores de carga libres, la conductividad eléctrica del cristal es muy baja, de forma que en muchos casos puede considerarse nula a efectos prácticos. Un ejemplo es el diamante.

    Conductores.

    No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conducción. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de conducción, por lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de los átomos de la red cristalina. Un ejemplo son todos los metales.

    Semiconductores.

    La magnitud de la banda prohibida es pequeña, de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energía dentro de la banda de conducción, aumentando la conductividad.

    Otra forma de aumentar la conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles de energía dentro de la banda prohibida. La variación con la temperatura no es lineal, pudiendo crecer o decrecer en función de las impurezas y del valor de la temperatura.

    Los materiales semiconductores más usados históricamente han sido el Germanio (Ge), Silicio (Si) y Arseniuro de Galio (GaAs). El Silicio es el más importante, ya que hoy día la mayor parte de los dispositivos electrónicos están fabricados con él. El GaAs es un material más nuevo que compite con el Si en algunas áreas. La combinación de silicio con el fósforo se utiliza en la fabricación de diodos luminosos.

    Un procedimiento típico de obtención de Si puro monocristalino es el siguiente:

    • Se calienta el dióxido de Si en un horno eléctrico en presencia de carbón. El carbón elimina el oxigeno dejando el Si impuro.

    • Purificar elementos sólidos es un proceso complejo por eso se trata con compuestos de Cloro para obtener tetracloruro de Si (SiCl4), que es liquido a temperatura ambiente.

    • A continuación se procede a un proceso de destilación, en el curso del cual se van separando las impurezas. Después de múltiples destilaciones se obtiene un tetracloruro de Si muy puro.

    • Por último se calienta en atmósfera de hidrógeno obteniendo: Cl4Si + 2H2= 4ClH + Si

    • El Si resultante es ultra puro pero no cristalino, sino policristalino. Se necesita un proceso adicional para obtener Si cristalino. El método más conocido es de Czochralski: Se calienta el Si policristalino en un crisol de cuarzo en una atmósfera inerte hasta fundirlo, manteniéndolo justo a una temperatura muy próxima a la de fusión. Se introduce una muestra de Si cristalino llamado semilla y el silicio líquido que se une a la muestra solidifica, ya que la muestra está a una temperatura inferior, adoptando la misma disposición atómica que la muestra.

    Los semiconductores poseen dos portadores de carga “libres”. Los portadores, que son las partículas cargadas que al moverse a través del sólido dan lugar a las corrientes eléctricas. El más común es el electrón (con carga negativa). Pero, dentro de los semiconductores, además del electrón, hay un segundo portador igual de importante, que es el hueco (con carga positiva).



    SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOS.

    Se entiende por dopado la adición de cantidades controladas de átomos de impurezas con el propósito de incrementar la concentración bien de electrones o bien de huecos y de esta forma modificar las características eléctricas de un material. Para aumentar la concentración de electrones se usan materiales con cinco electrones de valencia tales como el fósforo, arsénico, antimonio. Estos átomos que proporcionan un electrón se les llama átomos donadores. Para incrementar el número de huecos se usan materiales con tres electrones de valencia tales como el boro, galio o aluminio. Estos átomos que proporcionan un hueco se les llama átomos aceptores. Los más empleados son el fósforo y el boro.

    En semiconductores se utilizan unos términos que es preciso definir previamente: Un semiconductor sin impurezas se le llama intrínseco. Un semiconductor dopado con impurezas se le llama semiconductor extrínseco. Los semiconductores extrínsecos pueden ser de tipo p, que contienen más huecos que electrones, o de tipo n, que contienen más electrones que huecos. Se llaman portadores mayoritarios a los más abundantes en el material, es decir, electrones en los materiales de tipo n y huecos en los materiales de tipo p. Se llaman portadores minoritarios a los menos abundantes en el material, es decir, electrones en los materiales tipo p y huecos en los materiales tipo n.



  • 1

    :aplauso:





Has perdido la conexión. Reconectando a Éxodo.